CN108809091B - 一种单开关降压式多路恒流输出开关变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种单开关降压式多路恒流输出开关变换器，为由传统Cuk、Sepic和Zeta电路推导出的一组单开关恒流输出拓扑，包括励磁电感L m、开关管S 1、储能电容C s[i] (i=1,2,...,n‑1)、续流二极管D [i] (i=1,2,...,n)、输出电容C o[i] (i=1,2,...,n)、输出负载R [i] (i=1,2,...,n)以及支路电感L [k] (k=1,2,...,j)，当n为偶数时，j=n/2；当n为奇数时，j=(n+1)/2。本发明只需一个开关管，一套控制，具有结构简单、体积小、成本低等优点；且具有降压输出的功能，提高了均流变换器的使用范围与实用价值。

Description

一种单开关降压式多路恒流输出开关变换器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体为一种单开关降压式多路恒流输出开关变换器。
背景技术
随着全球能源短缺及环境污染问题的日益突出，节能降耗成为全世界共同关注的话题。LED以其体积小、效率高、寿命长、节能环保等特性逐渐取代了传统的白炽灯和日光灯，随着LED技术的进步，在路灯照明、LCD背光、医疗照明、汽车照明等诸多领域LED都得到了广泛的应用。
对于大功率、高亮度的照明应用，如街道照明和大型LCD背光，常需要将多颗LED串联使用，以达到要求的亮度。但随着串联LED的数量增多，其端电压也将随之增加，从而增加了变换器的设计难度，降低了LED照明系统的可靠性。为此，在实际的大功率LED应用中，最常用的方法是将多颗LED串并联使用，以控制其端电压和实现高亮度。但是，由于LED的制造误差和等效阻抗的影响，每颗LED的正向电压各不相同，因此流过各串LED的电流不均衡导致LED串的亮度不均匀。另一方面，由于LED的负温度系数的影响，随着LED温度的升高，流过LED的电流将增加，从而加剧各串LED间的不平衡，影响LED的使用寿命。因此，为了保证LED串的电流均衡，研究多路均流输出的变换器具有重要的意义。
目前的LED均流方法主要分为有源均流方法和无源均流方法两种。有源均流方法指的是利用开关管等有源器件以及相应的控制电路组成电流调节器，实现各支路LED电流的调节，以达到相同的电流输出。有源均流可以分为：线性模式均流和开关模式均流。线性模式均流是利用线性调节器与各LED支路串联，调节相应支路的输出电流，具有简单、成本低等特点，但是由于其本质是利用电阻限流，该方法效率较低，不适用于大功率照明系统；开关模式均流是利用DC/DC开关变换器对各支路电流进行调节，具有较高的效率和均流精度，但是由于需要多个电感，多个开关与多个控制回路，该方法具有电路体积大、成本高等缺点。
无源均流是利用电阻、电容、耦合电感等无源器件实现各支路电流均衡，具有结构简单、成本低、效率高等特点，被广泛应用于多路均流输出LED驱动器电路中。相对于利用电容和电感的均流方法，利用电阻的无源均流方法精度不高，且效率较低；使用耦合电感的无源均流方法因为需要多个电感和变压器，导致驱动器体积大、成本高。而利用电容电荷平衡原理的无源均流方法不仅具有体积小、控制电路简单的优点，还具有高效率以及高调节精度。
传统的基于电容电荷平衡原理的多路均流输出变换器主要是基于半桥或全桥拓扑，需要多个开关管，电路结构复杂，成本高。现有基于电容电荷平衡的单开关多路均流输出变换器基本都是升压拓扑，无法实现降压功能。
图1为基于电容电荷平衡原理的谐振式三路均流输出LED驱动电源的拓扑图。该驱动电源的功率电路由励磁电感Lm、开关管S1、谐振电容Cr1、Cr2、谐振电感Lr1、续流二极管D1～D3、输出电容C1～C2、LED负载LEDs1～LEDs3组成。开关管S1导通时，电感Lr1与电容Cr1、Cr2，形成串联谐振回路，谐振电容串联放电；开关管S2关断时，谐振电容Cr1、Cr2分别通过二极管D1和D3进行充电。根据电容的充放电平衡，在一个开关周期内流过三条负载支路的平均电流相等，因此实现了三路均流输出。图2为该驱动电源的输出电流波形，从图中可以看出，该拓扑能够很好的实现多路均流输出，均流精度较高。但是，由于该拓扑是基于boost升压电路演变而来，该方案的驱动电源不能实现降压输出，限制了该电路的使用范围。
图3为基于开关电容的四路均流输出LED驱动电源拓扑及控制回路。该驱动电源利用开关电容模块实现了两路均流输出，并利用多绕组变压器实现多路输出的扩展。图4为该四路均流输出驱动电源的输出电流波形，由图可知该驱动电源实现了均衡的电流输出。但是，由于该拓扑基于半桥结构，需要多个开关管，电路结构复杂，成本高。同时该拓扑利用多绕组变压器实现多路输出扩展，导致电路体积大，成本高，且只能实现偶数路的扩展，限制了该驱动电源的使用范围。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有降压输出的功能，能够提高均流变换器的使用范围与实用价值，且结构简单、体积小、成本低的单开关降压式多路恒流输出开关变换器。技术方案如下：
一种单开关降压式多路恒流输出开关变换器，包括励磁电感Lm、开关管S1及n路输出支路；励磁电感Lm一端连接到直流电源的正极，另一端连接开关管S1的D极，开关管S1的S极接地；
前两路输出支路包括储能电容Cs1、支路电感L1、续流二极管D1、续流二极管D2、输出电容Co1、输出电容Co2及输出负载R1和R2；储能电容Cs1的正极板连接到开关管S1的D极，负极板同时连接到续流二极管D1的负极和续流二极管D2的正极；续流二极管D1的正极连接支路电感L1的一端，支路电感L1的另一端同时连接到输出负载R1的一端和输出电容Co1的负极板，输出负载R1的另一端和输出电容Co1的正极板接地；续流二极管D2的负极同时连接到输出电容Co2的正极板和输出负载R2的一端，输出电容Co2的负极板和输出负载R2的另一端同时连接到第三路输出支路的储能电容Cs2和输出电容Co3的正极板；
以此类推，第n-1和第n路输出支路包括储能电容Cs(n-2)、储能电容Cs(n-1)、支路电感Lj、续流二极管Dn-1、续流二极管Dn、输出电容Co(n-1)、输出电容Con及输出负载Rn-1和Rn；储能电容Cs(n-1)的正极板连接到开关管S1的D极，负极板同时连接到续流二极管Dn-1的负极和续流二极管Dn的正极；续流二极管Dn-1的正极连接支路电感Lj的一端，支路电感Lj的另一端同时连接到输出负载Rn-1的一端和输出电容Co(n-1)的负极板，输出负载Rn-1的另一端和输出电容Co(n-1)的正极板同时连接到储能电容Cs(n-2)的正极板，储能电容Cs(n-2)的负极板接地；续流二极管Dn的负极同时连接到输出电容Con的正极板和输出负载Rn的一端，输出电容Con的负极板和输出负载Rn的另一端同时接地；
所述输出支路数n为偶数时，j＝n/2。
一种单开关降压式多路恒流输出开关变换器，包括励磁电感Lm、开关管S1及n路输出支路；励磁电感Lm一端连接到直流电源的正极，另一端连接开关管S1的D极，开关管S1的S极接地；
前三路输出支路包括储能电容Cs1、储能电容Cs2、支路电感L1、支路电感L2、续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D3、输出电容Co1、输出电容Co2、输出电容Co3及输出负载R1、R2和R3；储能电容Cs1的正极板连接到开关管S1的D极，负极板同时连接到续流二极管D1的负极和续流二极管D2的正极；续流二极管D1的正极连接支路电感L1的一端，支路电感L1的另一端同时连接到输出负载R1的一端和输出电容Co1的负极板，输出负载R1的另一端和输出电容Co1的正极板接地；续流二极管D2的负极同时连接到输出电容Co2的正极板和输出负载R2的一端，输出电容Co2的负极板和输出负载R2的另一端同时连接到输出负载R3的一端、储能电容Cs2和输出电容Co3的正极板；储能电容Cs2的负极板接地，输出电容Co3的负极板和输出负载R3的另一端同时连接到支路电感L2的一端，支路电感L2的另一端连接到续流二极管D3的正极，续流二极管D3的负极连接到第四路输出支路中储能电容Cs3的负极板和续流二极管D4的正极；
以此类推，第n-1和第n路输出支路包括储能电容Cs(n-2)、储能电容Cs(n-1)、支路电感Lj、续流二极管Dn-1、续流二极管Dn、输出电容Co(n-1)、输出电容Con及输出负载Rn-1和Rn；储能电容Cs(n-2)的正极板同时连接到开关管S1的D极和续流二极管Dn的负极，负极板连接到续流二极管Dn-1的正极；续流二极管Dn-1的负极同时连接到输出负载Rn-1的一端和输出电容Co(n-1)的正极板，输出负载Rn-1的另一端和输出电容Co(n-1)的负极板同时连接到储能电容Cs(n-1)的正极板，储能电容Cs(n-1)的负极板接地；续流二极管Dn的正极连接到支路电感Lj的一端，支路电感Lj的另一端同时连接到输出电容Con的负极板和输出负载Rn的一端，输出电容Con的正极板和输出负载Rn的另一端同时储能电容Cs(n-1)的正极板；
所述输出支路数n为奇数时，j＝(n+1)/2。
一种单开关降压式多路恒流输出开关变换器，包括励磁电感Lm、开关管S1及n路输出支路；开关管S1的D极连接到直流电源的正极，开关管S1的S极连接励磁电感Lm一端，励磁电感Lm另一端接地；
前两路输出支路包括储能电容Cs1、支路电感L1、续流二极管D1、续流二极管D2、输出电容Co1、输出电容Co2及输出负载R1和R2；储能电容Cs1的负极板连接到开关管S1的S极，正极板同时连接到续流二极管D1的正极和续流二极管D2的负极；续流二极管D1的负极连接支路电感L1的一端，支路电感L1的另一端同时连接到输出负载R1的一端和输出电容Co1的正极板，输出负载R1的另一端和输出电容Co1的负极板接地；续流二极管D2的正极同时连接到输出电容Co2的负极板和输出负载R2的一端，输出电容Co2的正极板和输出负载R2的另一端同时连接到第三路输出支路的储能电容Cs2和输出电容Co3的负极板；
以此类推，第n-1和第n路输出支路包括储能电容Cs(n-2)、储能电容Cs(n-1)、支路电感Lj、续流二极管Dn-1、续流二极管Dn、输出电容Co(n-1)、输出电容Con及输出负载Rn-1和Rn；储能电容Cs(n-1)的负极板连接到开关管S1的S极，正极板同时连接到续流二极管Dn-1的正极和续流二极管Dn的负极；续流二极管Dn-1的负极连接支路电感Lj的一端，支路电感Lj的另一端同时连接到输出负载Rn-1的一端和输出电容Co(n-1)的正极板，输出负载Rn-1的另一端和输出电容Co(n-1)的负极板同时连接到储能电容Cs(n-2)的负极板，储能电容Cs(n-2)的正极板接地；续流二极管Dn的正极同时连接到输出电容Con的负极板和输出负载Rn的一端，输出电容Con的正极板和输出负载Rn的另一端同时接地；所述输出支路数n为偶数时，j＝n/2。
一种单开关降压式多路恒流输出开关变换器，包括励磁电感Lm、开关管S1及n路输出支路；开关管S1的D极连接到直流电源的正极，开关管S1的S极连接励磁电感Lm一端，励磁电感Lm另一端接地；
前三路输出支路包括储能电容Cs1、储能电容Cs2、支路电感L1、支路电感L2、续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D3、输出电容Co1、输出电容Co2、输出电容Co3及输出负载R1、R2和R3；储能电容Cs1的负极板连接到开关管S1的S极，正极板同时连接到续流二极管D1的正极和续流二极管D2的负极；续流二极管D1的负极连接支路电感L1的一端，支路电感L1的另一端同时连接到输出负载R1的一端和输出电容Co1的正极板，输出负载R1的另一端和输出电容Co1的负极板接地；续流二极管D2的正极同时连接到输出电容Co2的负极板和输出负载R2的一端，输出电容Co2的正极板和输出负载R2的另一端同时连接到输出负载R3的一端、储能电容Cs2和输出电容Co3的负极板；储能电容Cs2的正极板接地，输出电容Co3的正极板和输出负载R3的另一端同时连接到支路电感L2的一端，支路电感L2的另一端连接到续流二极管D3的负极，续流二极管D3的正极连接到第四路输出支路中储能电容Cs3的正极板和续流二极管D4的负极；
以此类推，第n-1和第n路输出支路包括储能电容Cs(n-2)、储能电容Cs(n-1)、支路电感Lj、续流二极管Dn-1、续流二极管Dn、输出电容Co(n-1)、输出电容Con及输出负载Rn-1和Rn；储能电容Cs(n-2)的负极板同时连接到开关管S1的S极和续流二极管Dn的正极，正极板连接到续流二极管Dn-1的负极；续流二极管Dn-1的正极同时连接到输出负载Rn-1的一端和输出电容Co(n-1)的负极板，输出负载Rn-1的另一端和输出电容Co(n-1)的正极板同时连接到储能电容Cs(n-1)的负极板，储能电容Cs(n-1)的正极板接地；续流二极管Dn的负极连接到支路电感Lj的一端，支路电感Lj的另一端同时连接到输出电容Con的正极板和输出负载Rn的一端，输出电容Con的负极板和输出负载Rn的另一端同时储能电容Cs(n-1)的负极板；
所述输出支路数n为奇数时，j＝(n+1)/2。
本发明的有益效果是：本发明由传统Cuk、Sepic和Zeta电路推导出一组单开关恒流输出拓扑，只需一个开关管，一套控制，具有结构简单、体积小、成本低等优点；且具有降压输出的功能，提高了均流变换器的使用范围与实用价值。
附图说明
图1为谐振式三路均流输出LED驱动电源电路原理图。
图2为谐振式三路均流输出LED驱动电源电路输出电流波形图。
图3为基于开关电容的双路均流输出LED驱动电源原理图。
图4为基于开关电容的双路均流输出LED驱动电源输出电流波形图。
图5为传统的(a)Cuk、(b)Sepic、(c)Zeta电路的拓扑图。
图6为Cuk、Sepic及Zeta的统一结构框图。
图7为电流流动路径：(a)Cuk、Sepic(b)Zeta。
图8为单开关双路恒流输出拓扑：(a)基于Cuk，(b)基于Sepic，(c)基于Zeta。
图9为基于Cuk和Sepic的单开关n路恒流输出拓扑：(a)n为偶数，(b)n为奇数。
图10为基于Zeta的单开关n路恒流输出拓扑：(a)n为偶数，(b)n为奇数。
图11为单开关三路均流输出LED驱动电源拓扑及其控制回路。
图12为单开关三路均流输出LED驱动电源工作模态的等效电路。
图13为三条支路的输出电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
单开关降压式多路恒流开关变换器的推导：传统的Cuk、Sepic、Zeta电路的拓扑如图5所示，这三种基本拓扑都可被划分为四个部分：输入单元、储能电容、二极管支路以及电感支路。因此，可以用统一的框图来表示这四种拓扑结构，如图6所示。在一个开关周期内，这三种基本拓扑有三条不同的电流流通路径，包括储能电容的充电电流路径、储能电容的放电电流路径、以及二极管支路和电感支路之间的续流电流路径，根据电流流动的方向不同，可以分为图7所示的两种情况。在一个开关周期内，根据储能电容Cs的电荷平衡，储能电容的平均充电电流等于它的平均放电电流，即ich-av＝idis-av。因此，一个开关周期内，这三种拓扑的流过二极管支路的平均电流与流过电感支路的平均电流相等。通过添加另一个输出单元到传统的Cuk、Sepic和Zeta电路，便可得到一组单开关双路输出恒流输出拓扑，如图8所示。从图8可以看出，基于Cuk和Sepic电路所推导出来的单开关双路恒流输出拓扑是相同的。
利用电容的电荷平衡原理，添加相应的储能电容和输出支路到单开关双路恒流输出拓扑中，变可得到一组单开关降压式多路恒流开关变换器，其拓扑如图9和图10所示。这两种单开关降压式多路恒流输出变换器由励磁电感Lm、开关管S1、储能电容Cs[i](i＝1,2,...,n-1)、续流二极管D[i](i＝1,2,...,n)、输出电容Co[i](i＝1,2,...,n)、输出负载R[i](i＝1,2,...,n)以及支路电感L[k](k＝1,2,...,j)，当n为偶数时，j＝n/2；当n为奇数时，j＝(n+1)/2。
图9(a)所示的单开关降压式多路恒流输出开关变换器为基于Cuk和Sepic的单开关n路恒流输出拓扑，包括励磁电感Lm、开关管S1及n路输出支路；励磁电感Lm一端连接到直流电源的正极，另一端连接开关管S1的D极，开关管S1的S极接地；前两路输出支路包括储能电容Cs1、支路电感L1、续流二极管D1、续流二极管D2、输出电容Co1、输出电容Co2及输出负载R1和R2；储能电容Cs1的正极板连接到开关管S1的D极，负极板同时连接到续流二极管D1的负极和续流二极管D2的正极；续流二极管D1的正极连接支路电感L1的一端，支路电感L1的另一端同时连接到输出负载R1的一端和输出电容Co1的负极板，输出负载R1的另一端和输出电容Co1的正极板接地；续流二极管D2的负极同时连接到输出电容Co2的正极板和输出负载R2的一端，输出电容Co2的负极板和输出负载R2的另一端同时连接到第三路输出支路的储能电容Cs2和输出电容Co3的正极板；以此类推，第n-1和第n路输出支路包括储能电容Cs(n-2)、储能电容Cs(n-1)、支路电感Lj、续流二极管Dn-1、续流二极管Dn、输出电容Co(n-1)、输出电容Con及输出负载Rn-1和Rn；储能电容Cs(n-1)的正极板连接到开关管S1的D极，负极板同时连接到续流二极管Dn-1的负极和续流二极管Dn的正极；续流二极管Dn-1的正极连接支路电感Lj的一端，支路电感Lj的另一端同时连接到输出负载Rn-1的一端和输出电容Co(n-1)的负极板，输出负载Rn-1的另一端和输出电容Co(n-1)的正极板同时连接到储能电容Cs(n-2)的正极板，储能电容Cs(n-2)的负极板接地；续流二极管Dn的负极同时连接到输出电容Con的正极板和输出负载Rn的一端，输出电容Con的负极板和输出负载Rn的另一端同时接地；所述输出支路数n为偶数时，j＝n/2。
图9(b)所示的单开关降压式多路恒流输出开关变换器基于Cuk和Sepic的单开关n路恒流输出拓扑，包括励磁电感Lm、开关管S1及n路输出支路；励磁电感Lm一端连接到直流电源的正极，另一端连接开关管S1的D极，开关管S1的S极接地；前三路输出支路包括储能电容Cs1、储能电容Cs2、支路电感L1、支路电感L2、续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D3、输出电容Co1、输出电容Co2、输出电容Co3及输出负载R1、R2和R3；储能电容Cs1的正极板连接到开关管S1的D极，负极板同时连接到续流二极管D1的负极和续流二极管D2的正极；续流二极管D1的正极连接支路电感L1的一端，支路电感L1的另一端同时连接到输出负载R1的一端和输出电容Co1的负极板，输出负载R1的另一端和输出电容Co1的正极板接地；续流二极管D2的负极同时连接到输出电容Co2的正极板和输出负载R2的一端，输出电容Co2的负极板和输出负载R2的另一端同时连接到输出负载R3的一端、储能电容Cs2和输出电容Co3的正极板；储能电容Cs2的负极板接地，输出电容Co3的负极板和输出负载R3的另一端同时连接到支路电感L2的一端，支路电感L2的另一端连接到续流二极管D3的正极，续流二极管D3的负极连接到第四路输出支路中储能电容Cs3的负极板和续流二极管D4的正极；以此类推，第n-1和第n路输出支路包括储能电容Cs(n-2)、储能电容Cs(n-1)、支路电感Lj、续流二极管Dn-1、续流二极管Dn、输出电容Co(n-1)、输出电容Con及输出负载Rn-1和Rn；储能电容Cs(n-2)的正极板同时连接到开关管S1的D极和续流二极管Dn的负极，负极板连接到续流二极管Dn-1的正极；续流二极管Dn-1的负极同时连接到输出负载Rn-1的一端和输出电容Co(n-1)的正极板，输出负载Rn-1的另一端和输出电容Co(n-1)的负极板同时连接到储能电容Cs(n-1)的正极板，储能电容Cs(n-1)的负极板接地；续流二极管Dn的正极连接到支路电感Lj的一端，支路电感Lj的另一端同时连接到输出电容Con的负极板和输出负载Rn的一端，输出电容Con的正极板和输出负载Rn的另一端同时储能电容Cs(n-1)的正极板；所述输出支路数n为奇数时，j＝(n+1)/2。
图10(a)所示的单开关降压式多路恒流输出开关变换器为基于Zeta的单开关n路恒流输出拓扑，包括励磁电感Lm、开关管S1及n路输出支路；开关管S1的D极连接到直流电源的正极，开关管S1的S极连接励磁电感Lm一端，励磁电感Lm另一端接地；前两路输出支路包括储能电容Cs1、支路电感L1、续流二极管D1、续流二极管D2、输出电容Co1、输出电容Co2及输出负载R1和R2；储能电容Cs1的负极板连接到开关管S1的S极，正极板同时连接到续流二极管D1的正极和续流二极管D2的负极；续流二极管D1的负极连接支路电感L1的一端，支路电感L1的另一端同时连接到输出负载R1的一端和输出电容Co1的正极板，输出负载R1的另一端和输出电容Co1的负极板接地；续流二极管D2的正极同时连接到输出电容Co2的负极板和输出负载R2的一端，输出电容Co2的正极板和输出负载R2的另一端同时连接到第三路输出支路的储能电容Cs2和输出电容Co3的负极板；以此类推，第n-1和第n路输出支路包括储能电容Cs(n-2)、储能电容Cs(n-1)、支路电感Lj、续流二极管Dn-1、续流二极管Dn、输出电容Co(n-1)、输出电容Con及输出负载Rn-1和Rn；储能电容Cs(n-1)的负极板连接到开关管S1的S极，正极板同时连接到续流二极管Dn-1的正极和续流二极管Dn的负极；续流二极管Dn-1的负极连接支路电感Lj的一端，支路电感Lj的另一端同时连接到输出负载Rn-1的一端和输出电容Co(n-1)的正极板，输出负载Rn-1的另一端和输出电容Co(n-1)的负极板同时连接到储能电容Cs(n-2)的负极板，储能电容Cs(n-2)的正极板接地；续流二极管Dn的正极同时连接到输出电容Con的负极板和输出负载Rn的一端，输出电容Con的正极板和输出负载Rn的另一端同时接地；所述输出支路数n为偶数时，j＝n/2。
图10(b)所示的单开关降压式多路恒流输出开关变换器为基于Zeta的单开关n路恒流输出拓扑，包括励磁电感Lm、开关管S1及n路输出支路；开关管S1的D极连接到直流电源的正极，开关管S1的S极连接励磁电感Lm一端，励磁电感Lm另一端接地；前三路输出支路包括储能电容Cs1、储能电容Cs2、支路电感L1、支路电感L2、续流二极管D1、续流二极管D2、续流二极管D3、输出电容Co1、输出电容Co2、输出电容Co3及输出负载R1、R2和R3；储能电容Cs1的负极板连接到开关管S1的S极，正极板同时连接到续流二极管D1的正极和续流二极管D2的负极；续流二极管D1的负极连接支路电感L1的一端，支路电感L1的另一端同时连接到输出负载R1的一端和输出电容Co1的正极板，输出负载R1的另一端和输出电容Co1的负极板接地；续流二极管D2的正极同时连接到输出电容Co2的负极板和输出负载R2的一端，输出电容Co2的正极板和输出负载R2的另一端同时连接到输出负载R3的一端、储能电容Cs2和输出电容Co3的负极板；储能电容Cs2的正极板接地，输出电容Co3的正极板和输出负载R3的另一端同时连接到支路电感L2的一端，支路电感L2的另一端连接到续流二极管D3的负极，续流二极管D3的正极连接到第四路输出支路中储能电容Cs3的正极板和续流二极管D4的负极；以此类推，第n-1和第n路输出支路包括储能电容Cs(n-2)、储能电容Cs(n-1)、支路电感Lj、续流二极管Dn-1、续流二极管Dn、输出电容Co(n-1)、输出电容Con及输出负载Rn-1和Rn；储能电容Cs(n-2)的负极板同时连接到开关管S1的S极和续流二极管Dn的正极，正极板连接到续流二极管Dn-1的负极；续流二极管Dn-1的正极同时连接到输出负载Rn-1的一端和输出电容Co(n-1)的负极板，输出负载Rn-1的另一端和输出电容Co(n-1)的正极板同时连接到储能电容Cs(n-1)的负极板，储能电容Cs(n-1)的正极板接地；续流二极管Dn的负极连接到支路电感Lj的一端，支路电感Lj的另一端同时连接到输出电容Con的正极板和输出负载Rn的一端，输出电容Con的负极板和输出负载Rn的另一端同时储能电容Cs(n-1)的负极板；所述输出支路数n为奇数时，j＝(n+1)/2。
单开关降压式多路恒流开关变换器的工作原理：为了分析本发明所提出拓扑的工作原理，下面以单开关三路均流输出LED驱动电源为例，其拓扑及控制电路如图11所示。
该驱动电源在一个开关周期内有4种工作模态，其模态如下：
模态1[t0～t1]：如图12(a)所示，在该模式下，t0时刻，开关管S1导通，电源Vin给电感Lm充电，电感电流iLm线性上升。同时二极管D1、D3因承受正向压降而导通，二极管D2因承受反向压降而关断。中间储能电容Cs1通过开关管S1向支路1及其支路上的电感L1放电，能量从电容C1转移到输出电容Co1和电感L1上；中间电容Cs2通过开关管S1向支路2以及其支路上的电感L2放电，能量从电容C2转移到输出电容Co3和电感L2上。t1时刻，开关管S1关断，电感电流iLm达到最大值，模态1结束。
模态2[t1～t2]：如图12(b)所示，t1时刻，开关管S1关断，输入电源Vin与电感Lm共同给后级放电，电感电流iLm线性减小，二极管D2也因承受正向压降而导通，各支路电感L1、L2也向相应的支路放电，电容Cs1和Cs2充电。t2时刻，支路电感电流iL1、iL2减小到零，模态2结束。
模态3[t2～t3]：如图12(c)所示，在此模态开关管S1仍保持关断，各支路电感电流iL1、iL2在t2时刻下降到零，二极管D1、D3因此关断，二极管D2继续保持导通。支路1和支路3负载由相应的输出电容Co1、Co3供电，输入电源Vin与电感Lm继续以串联的形式给中间电容Cs1和Cs2充电，电感电流iLm线性下降。t3时刻，电感电流iLm下降到零，模态3结束。
模态4[t3～t4]：如图12(d)所示，在此模态开关管S1仍保持关断，电感电流iLm以及各支路电感电流iL1、iL2都为零，二极管D1、D2和D3都截止。各支路负载由相应的输出电容Co1、Co2和Co3供电。t4时刻，开关管S1导通，模态4结束，开始下一个开关周期。
根据上述对电路工作模态的分析，可以知道储能电容Cs1、Cs2在模态2和模态3储存能量，在模态1释放能量。储存在储能电容里的能量可以分为两部分：一部分由主电感提供，另一部分由支路电感提供。因此根据电容的充放电平衡可知
Q1dis＝Q1ch_Lm+Q1ch_L2 (1)
Q2dis＝Q2ch_Lm+Q2ch_L1 (2)
其中，Q1dis和Q2dis分别是电容Cs1和Cs2释放的电量；Q1ch_Lm和Q2ch_Lm分别是主电感Lm给电容Cs1和Cs2充的电量；Q1ch_L2是支路电感L2给电容Cs1充的电量；Q2ch_L1是支路电感L1给电容Cs2充的电量。
在一个开关周期内有，
Figure GDA0002437865300000091
Figure GDA0002437865300000092
即
iL1_m_av＝iLm_f_av+iL2_f_av (5)
iL2_m_av＝iLm_f_av+iL1_f_av (6)
又有
io1＝iL1_av＝iL1_m_av+iL1_f_av (7)
io2＝iD2_av＝iLm_m_av+iL1_f_av+iL2_f_av (8)
io3＝iL2_av＝iL2_m_av+iL2_f_av (9)
其中，iL1_av和iL2_av是电感L1和L2的平均电流，iL1_m_av和iL2_m_av是电感L1和L2充电时的平均电流，iL1_f_av和iL2_f_av是电感L1和L2放电时的平均电流，iLm_f_av是电感Lm放电时的平均电流。
由式(5)～(9)可得
io1＝io2＝io3＝iL1_m_av+iL1_f_av+iL2_f_av＝io2 (10)
根据式(10)可知，一个开关周期内三条支路的平均输出电流相同，即通过电容的充放电平衡，本发明提出的LED驱动器实现了无源电流均衡控制。
实验验证：
为了证明本发明提出的变换器的可行性与正确性，建立了一个76W的单开关三路均流输出的LED驱动电源，实验参数如下表
表1单开关三路均流输出LED驱动电源实验参数
变量 数值
输入电压V<sub>in</sub> 400V
主电感L<sub>m</sub> 3000μF
储能电容C<sub>s1</sub>、C<sub>s2</sub> 1μF
输出电容C<sub>o1</sub>、C<sub>o2</sub> 1μF
支路电感L<sub>1</sub>、L<sub>2</sub> 375μF
额定输出电流i<sub>o1</sub>、i<sub>o2</sub> 300mA
图13是该驱动电源三条支路的输出电流实验波形，由图可知，该驱动电源实现了恒定的电流输出，利用中间储能电容的电荷平衡，实现了三条支路的均流输出。
表格2是该驱动电源在不同的输出负载条件下的输出电压与输出电流。从表中可以看出，该驱动电源不论在额定输出负载或极端不平衡负载条件下，都具有很好的均流特性，并且该驱动电源实现了降压输出。
表2不同的输出负载条件下的输出电压与输出电流
Figure GDA0002437865300000101
根据以上分析可知，本发明所提出的单开关降压式多路恒流输出变换器具有很好的均流效果，并且具有降压输出功能。

Claims (4)

1.一种单开关降压式多路恒流输出开关变换器，其特征在于，包括励磁电感L m、开关管S 1及n路输出支路；励磁电感L m一端连接到直流电源的正极，另一端连接开关管S 1的D极，开关管S 1的S极接地；
前两路输出支路包括储能电容C s1、支路电感L 1、续流二极管D 1、续流二极管D 2、输出电容C o1、输出电容C o2及输出负载R 1和R 2；储能电容C s1的正极板连接到开关管S 1的D极，负极板同时连接到续流二极管D 1的负极和续流二极管D 2的正极；续流二极管D 1的正极连接支路电感L 1的一端，支路电感L 1的另一端同时连接到输出负载R 1的一端和输出电容C o1的负极板，输出负载R 1的另一端和输出电容C o1的正极板接地；续流二极管D 2的负极同时连接到输出电容C o2的正极板和输出负载R 2的一端，输出电容C o2的负极板和输出负载R 2的另一端同时连接到第三路输出支路的储能电容C s2和输出电容C o3的正极板；
以此类推，第n-1和第n路输出支路包括储能电容C s(n-2)、储能电容C s(n-1)、支路电感L j、续流二极管D n-1、续流二极管D n、输出电容C o(n-1)、输出电容C on及输出负载R n-1和R n；储能电容C s(n-1)的正极板连接到开关管S 1的D极，负极板同时连接到续流二极管D n-1的负极和续流二极管D n的正极；续流二极管D n-1的正极连接支路电感L j的一端，支路电感L j的另一端同时连接到输出负载R n-1的一端和输出电容C o(n-1)的负极板，输出负载R n-1的另一端和输出电容C o(n-1)的正极板同时连接到储能电容C s(n-2)的正极板，储能电容C s(n-2)的负极板接地；续流二极管D n的负极同时连接到输出电容C on的正极板和输出负载R n的一端，输出电容C on的负极板和输出负载R n的另一端同时接地；
所述输出支路数n为偶数时，j=n/2。
2.一种单开关降压式多路恒流输出开关变换器，其特征在于，包括励磁电感L m、开关管S 1及n路输出支路；励磁电感L m一端连接到直流电源的正极，另一端连接开关管S 1的D极，开关管S 1的S极接地；
前三路输出支路包括储能电容C s1、储能电容C s2、支路电感L 1、支路电感L 2、续流二极管D 1、续流二极管D 2、续流二极管D 3、输出电容C o1、输出电容C o2、输出电容C o3及输出负载R 1、R 2和R 3；储能电容C s1的正极板连接到开关管S 1的D极，负极板同时连接到续流二极管D 1的负极和续流二极管D 2的正极；续流二极管D 1 的正极连接支路电感L 1的一端，支路电感L 1的另一端同时连接到输出负载R 1的一端和输出电容C o1的负极板，输出负载R 1的另一端和输出电容C o1的正极板接地；续流二极管D 2的负极同时连接到输出电容C o2的正极板和输出负载R 2的一端，输出电容C o2的负极板和输出负载R 2的另一端同时连接到输出负载R 3的一端、储能电容C s2和输出电容C o3的正极板；储能电容C s2的负极板接地，输出电容C o3的负极板和输出负载R 3的另一端同时连接到支路电感L 2的一端，支路电感L 2的另一端连接到续流二极管D 3的正极，续流二极管D 3的负极连接到第四路输出支路中储能电容C s3的负极板和续流二极管D 4的正极；
以此类推，第n-1和第n路输出支路包括储能电容C s(n-2)、储能电容C s(n-1)、支路电感L j、续流二极管D n-1、续流二极管D n、输出电容C o(n-1)、输出电容C on及输出负载R n-1和R n；储能电容C s(n-2)的正极板同时连接到开关管S 1的D极和续流二极管D n的负极，负极板连接到续流二极管D n-1的正极；续流二极管D n-1的负极同时连接到输出负载R n-1的一端和输出电容C o(n-1)的正极板，输出负载R n-1的另一端和输出电容C o(n-1)的负极板同时连接到储能电容C s(n-1)的正极板，储能电容C s(n-1)的负极板接地；续流二极管D n的正极连接到支路电感L j的一端，支路电感L j的另一端同时连接到输出电容C on的负极板和输出负载R n的一端，输出电容C on的正极板和输出负载R n的另一端同时储能电容C s(n-1)的正极板；
所述输出支路数n为奇数时，j=(n+1)/2。
3.一种单开关降压式多路恒流输出开关变换器，其特征在于，包括励磁电感L m、开关管S 1及n路输出支路；开关管S 1的D极连接到直流电源的正极，开关管S 1的S极连接励磁电感L m一端，励磁电感L m另一端接地；
前两路输出支路包括储能电容C s1、支路电感L 1、续流二极管D 1、续流二极管D 2、输出电容C o1、输出电容C o2及输出负载R 1和R 2；储能电容C s1的负极板连接到开关管S 1的S极，正极板同时连接到续流二极管D 1的正极和续流二极管D 2的负极；续流二极管D 1的负极连接支路电感L 1的一端，支路电感L 1的另一端同时连接到输出负载R 1的一端和输出电容C o1的正极板，输出负载R 1的另一端和输出电容C o1的负极板接地；续流二极管D 2的正极同时连接到输出电容C o2的负极板和输出负载R 2的一端，输出电容C o2的正极板和输出负载R 2的另一端同时连接到第三路输出支路的储能电容C s2和输出电容C o3的负极板；
以此类推，第n-1和第n路输出支路包括储能电容C s(n-2)、储能电容C s(n-1)、支路电感L j、续流二极管D n-1、续流二极管D n、输出电容C o(n-1)、输出电容C on及输出负载R n-1和R n；储能电容C s(n-1)的负极板连接到开关管S 1的S极，正极板同时连接到续流二极管D n-1的正极和续流二极管D n的负极；续流二极管D n-1的负极连接支路电感L j的一端，支路电感L j的另一端同时连接到输出负载R n-1的一端和输出电容C o(n-1)的正极板，输出负载R n-1的另一端和输出电容C o(n-1)的负极板同时连接到储能电容C s(n-2)的负极板，储能电容C s(n-2)的正极板接地；续流二极管D n的正极同时连接到输出电容C on的负极板和输出负载R n的一端，输出电容C on的正极板和输出负载R n的另一端同时接地；所述输出支路数n为偶数时，j=n/2。
4.一种单开关降压式多路恒流输出开关变换器，其特征在于，包括励磁电感L m、开关管S 1及n路输出支路；开关管S 1的D极连接到直流电源的正极，开关管S 1的S极连接励磁电感L m一端，励磁电感L m另一端接地；
前三路输出支路包括储能电容C s1、储能电容C s2、支路电感L 1、支路电感L 2、续流二极管D 1、续流二极管D 2、续流二极管D 3、输出电容C o1、输出电容C o2、输出电容C o3及输出负载R 1、R 2和R 3；储能电容C s1的负极板连接到开关管S 1的S极，正极板同时连接到续流二极管D 1的正极和续流二极管D 2的负极；续流二极管D 1的负极连接支路电感L 1的一端，支路电感L 1的另一端同时连接到输出负载R 1的一端和输出电容C o1的正极板，输出负载R 1的另一端和输出电容C o1的负极板接地；续流二极管D 2的正极同时连接到输出电容C o2的负极板和输出负载R 2的一端，输出电容C o2的正极板和输出负载R 2的另一端同时连接到输出负载R 3的一端、储能电容C s2和输出电容C o3的负极板；储能电容C s2的正极板接地，输出电容C o3的正极板和输出负载R 3的另一端同时连接到支路电感L 2的一端，支路电感L 2的另一端连接到续流二极管D 3的负极，续流二极管D 3的正极连接到第四路输出支路中储能电容C s3的正极板和续流二极管D 4的负极；
以此类推，第n-1和第n路输出支路包括储能电容C s(n-2)、储能电容C s(n-1)、支路电感L j、续流二极管D n-1、续流二极管D n、输出电容C o(n-1)、输出电容C on及输出负载R n-1和R n；储能电容C s(n-2)的负极板同时连接到开关管S 1的S极和续流二极管D n的正极，正极板连接到续流二极管D n-1的负极；续流二极管D n-1 的正极同时连接到输出负载R n-1的一端和输出电容C o(n-1)的负极板，输出负载R n-1的另一端和输出电容C o(n-1)的正极板同时连接到储能电容C s(n-1)的负极板，储能电容C s(n-1)的正极板接地；续流二极管D n的负极连接到支路电感L j的一端，支路电感L j的另一端同时连接到输出电容C on的正极板和输出负载R n的一端，输出电容C on的负极板和输出负载R n的另一端同时储能电容C s(n-1)的负极板；
所述输出支路数n为奇数时，j=(n+1)/2。
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